Wykres Sankeya

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Twórca wykresu
i pierwsze dzieło

Wykres Sankeya (wykres strumieniowy) – graficzna, poglądowa ilustracja np. bilansu materiałowego (bilans mas) lub bilansu energetycznego, stosowany np. w technice, w czasie projektowania technologicznych procesów i operacji jednostkowych oraz złożonych procesów technologicznych[2][3][4].

Jest stosowany również w czasie prezentowania informacji o procesach życiowych na różnych poziomach organizacji. Analizowany układ (złożony system biotyczny lub abiotyczny) jest traktowany jak układ termodynamiczny, w którym obowiązuje zasada zachowania energii i prawo zachowania masy. Na wykresach wyodrębnia się części systemu (bloki), które są łączone pasmami lub strzałkami wskazującymi kierunek przepływu masy i energii oraz określającymi wielkości strumieni (proporcjonalne do szerokości połączeń bloków)[2][3][4].

Matthew H. Sankey i poprzednicy[edytuj | edytuj kod]

Straty w ludziach i temperatura w czasie rosyjskiej kampanii Napoleona (1812) według Charlesa J. Minarda (1869)

Kapitan Matthew H. Sankey (18531925) był irlandzkim inżynierem mechanikiem i kapitanem w Corps of Royal Engineers, gdzie prowadził badania zmierzające do zwiększenia sprawności silników parowych. Był członkiem Institution of Civil Engineers, a w latach 1920–1921 – prezesem brytyjskiej Institution of Mechanical Engineers. Jego artykuł na temat sprawności silników (The Thermal Efficiency of Steam Engines), w którym zostały zamieszczone wykresy strumieniowe, opublikowano w materiałach Institution of Civil Engineers w 1898 roku[5][6].

Według niektórych źródeł twórcą wykresu strumieniowego był Charles J. Minard lub Henry D. Harness. Ch. Minard sporządził w 1869 roku podobny wykres, prezentujący zmiany liczebności armii Napoleona w czasie inwazji na Rosję (1812). Wcześniej, już w 1837 roku, w analogiczny sposób H. Harness (inżynier z Irish Railway Commissioners i porucznik w Corps of Royal Engineers) przedstawił, na mapie Hrabstwa Wicklow, informacje o liczbie osób podróżujących kolejami[7].

Przykłady zastosowań wykresu Sankeya[edytuj | edytuj kod]

Współczesne zastosowania wykresów Sankeya nie ograniczają się do obszaru techniki i technologii. Różna jest również skala systemów, których dotyczą – od mikroskopowych układów biologicznych (np. przemiana materii w mikroorganizmach) do skali globalnej i większej (np. wymiana energii między Ziemią i jej otoczeniem)[6][8][9].

Procesy technologiczne[edytuj | edytuj kod]

Liczne zastosowania wykresów Sankeya w technologii i inżynierii procesowej ilustrują przykłady dotyczące np. badań energetycznej sprawności:

  • silnika samochodu Renault (Riedler 1911)[10],
  • wytwórni cementu (Schott 1954)[10],
Wykres Sankeya dla produkcji KClO3
(źródło: Józef Kępiński, „Technologia chloru i związków chloru”)[11]

Chloran potasu jest otrzymywany z chlorku potasu (KCl) metodą elektrochemiczną. Kolejnymi operacjami jednostkowymi są w tym przypadku[11]:

Na wykresie Sankeya zamieszcza się np. informacje o masie roztworów lub zawiesin, które muszą być przemieszczane do kolejnych węzłów instalacji projektowanej do wytwarzania określonej masy chloranu. Wykres ułatwia np. wstępne, orientacyjne oszacowanie wielkości niezbędnych urządzeń i wydajności pomp itp.

Schemat technologiczny procesu produkcji chloranu potasu (KClO3)
z chlorku potasu (KCl) metodą elektrochemiczną
(źródło: Józef Kępiński, „Technologia chloru i związków chloru”)[11]


Energetyka organizmów żywych i ekosystemów[edytuj | edytuj kod]

Przepływy energii i masy w ekosystemach
Przykłady

Wykresy Sankeya są stosowane do prezentacji przepływów masy i energii w ekologii, będącej (zgodnie z koncepcją Eugene Oduma, 1913–2002), nauką o strukturze i działaniu systemu nazywanego „przyrodą ożywioną”. Strumienie masy i energii przepływają między wyodrębnionymi układami biotycznymi i ich otoczeniem nieożywionym lub między różnymi układami biotycznymi. Zależnie od obszaru wykonywanych badań ekologicznych (np. autekologia, populacjologia, synekologia) bloki na wykresach mogą oznaczać[13], m.in.:

Gdy analizowanym układem termodynamicznym jest pojedynczy organizm, wykresy zawierają informacje o źródłach pobieranej energii i o sposobach jej zwracania do otoczenia (element autekologii). Producenci wykorzystują strumień energii promieniowania słonecznego (fotosynteza) oraz mniejszy strumień energii cieplnej gleby (wyjątkiem są producenci ekosystemów głębinowych, korzystający głównie z energii wiązań chemicznych w związkach nieorganicznych). Konsumenci pobierają energię w formie pożywienia, mniej lub bardziej kalorycznego. Energia pobierana przez organizmy jest zmieniana np. w energię kinetyczną ich ruchu lub oddawana do otoczenia w formie biomasy i na sposób ciepła. Wykresy Sankeya, sporządzane np. dla konsumentów I stopnia (roślinożercy) i konsumentów II stopnia (mięsożerców), ilustrują np. różne udziały energii zawartej w detrytusie (np. przekazywanej destruentom w formie odchodów). Pozwalają stwierdzić m.in., że względne udziały wydzielanego ciepła i energii wykorzystywanej na ruch są w obu przypadkach podobne (np. energetyczny wydatek drapieżnika i ofiary w czasie polowania)[14].

Przykładami wykresów Sankeya, które dotyczą większych systemów, są niektóre graficzne ilustracje obiegu materii w przyrodzie, dotyczące określonych ekosystemów lub biomów albo całego globu (cykle biogeochemiczne, m.in. obieg azotu, węgla, siarki, wody, fosforu, np. obieg fosforu w wodzie).

Obieg energii w skali globalnej[edytuj | edytuj kod]

Bilans energii w dużej skali
Uproszczony bilans energetyczny Ziemi (na podstawie pracy Kiehla i Trenbertha z 1997)[8]
Uproszczony bilans energetyczny Ziemi
(na podstawie pracy Kiehla i Trenbertha z 1997)[8]

Wykresy Sankeya są popularną metodą ilustrowania przyczyn globalnego ocieplenia. Przyjmuje się, że strumień energii docierającej do Ziemi (energia promieniowania słonecznego) powinien być równy energii promieniowania Ziemi (widmo promieniowania przesunięte w kierunku podczerwieni). Wzrost zawartości w ziemskiej atmosferze związków silnie absorbujących promieniowanie podczerwone (para wodna, dwutlenek węgla i inne) zaburza równowagę w biosferze i prowadzi do wzrostu średniej temperatury i związanych z tym zmian klimatu. Możliwości przeciwdziałania tym efektom są analizowane z uwzględnieniem wielkości energetycznych zasobów Ziemi i zapotrzebowania na energię w skali państw i skali globalnej. Wyniki takich analiz złożonych systemów zaopatrzenia w energię są często przedstawiane również w formie wykresów Sankeya[9][15].

Diagram Ishikawy[edytuj | edytuj kod]

Zasada wykresów Sankeya jest wykorzystywana w czasie bilansowania potencjalnych przyczyn zdarzeń (np. wystąpienia wad produkowanego wyrobu). Klasyczne wykresy Ishikawy (diagramy przyczyn i skutków, ang. cause and effect diagram), znane też jako „diagramy rybiej ości” lub drzewa błędów, są przekształcane w tzw. wykresy zbilansowane Sankeya, jeżeli można określić prawdopodobieństwo wystąpienia poszczególnych przyczyn wystąpienia wad[16].

Przypisy

  1. Matthew H. M. H. Sankey. The Thermal Efficiency of Steam Engines. „Minutes of Proceedings of The Institution of Civil Engineers”. CXXXIV (1897-1898, Part IV) (ang.). 
  2. 2,0 2,1 Leksykon naukowo-techniczny, P–Ż. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1989, s. 1108. ISBN 83 204 0969 1.
  3. 3,0 3,1 Chemia. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1993, s. 657–658, seria: Encyklopedia techniki. ISBN 83 204 1312 5.
  4. 4,0 4,1 Fauto O. Sarmiento: Sankey, Diagrama De. Sankey’s Diagram (ang.). W: Diccionario de Ecologia [on-line]. www.ensayistas.org. [dostęp 2011-10-03].
  5. Matthew Henry Phineas Riall Sankey (ang.). W: Biographies [on-line]. heritage.imeche.org. [dostęp 2011-10-03].
  6. 6,0 6,1 Diagrammen_im_Stoffstrommanagement (ang.). umwelt.hs-pforzheim.de. [dostęp 2011-10-03].
  7. Data visualisation; Sankey or Harness? (ang.). W: The Economist [on-line]. www.economist.com, 2011-07-04. [dostęp 2011-10-03].
  8. 8,0 8,1 Judith Lean, Peter Pilewskie, Tom Woods, Vanessa George. SORCE Has 4th Annual Science Team Meeting. „The Earth Observer”. 18 (6), s. 38, November December 2006. EOS Project Science Office, NASA Goddard Space Flight Center (ang.). [dostęp 2014-10-23]. [zarchiwizowane z adresu 2013-02-16]. 
  9. 9,0 9,1 VisualizeGreen.com Free Sankey Template, Misc Sankey Diagrams Uncommented 04, Making Of an Infographic, Engine Combined Cycle Power Plant Sankey i inne (ang.). W: Sankey Diagrams; A Sankey diagram says more than 1000 pie charts [on-line]. www.sankey-diagrams.com. [dostęp 2011-10-05].
  10. 10,0 10,1 10,2 Mario Schmidt. The Sankey Diagram in Energy and Material Flow Management, Part I: History. „Journal of Industrial Ecology”. 12 (1), s. 82–94, 2008. doi:10.1111/j.1530-9290.2008.00004.x. 
  11. 11,0 11,1 11,2 11,3 Józef Kępiński: Technologia chloru i związków chloru. Warszawa: Państwowe Wydawnictwa Techniczne, 1963, s. 298–308.
  12. Odum’s Energy and Matter Flows in Ecosystems (ang.). W: Sankey Diagrams; A Sankey diagram says more than 1000 pie charts [on-line]. www.sankey-diagrams.com. [dostęp 2011-10-05].
  13. Eugene P. Odum: Podstawy ekologii. Warszawa: Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, 1982 (wyd. 3). ISBN 8309005512.
  14. Losing Energy (ang.). W: Revision notes for GCSE; Core Science, Additional Sciences and Further Science; Biology [on-line]. gcserevision101.wordpress.com. [dostęp 2014-10-23]. [zarchiwizowane z tego adresu (2013-01-22)].
  15. Scottish Executive - Energy in Scotland: Supply and Demand (ang.). www.scotland.gov.uk. [dostęp 2011-10-05].
  16. Sławomir Wawak, Rafał Tochman: Diagram Ishikawy (pol.). Jakosc.biz. [dostęp 2011-10-05].
Wikimedia Commons